鄭冰環趙晨陳兵
指導老師：汪濟洲姚紅
摘要：函式訊號發生器是電子設計以及教學、科研中應用最廣泛的儀器之一。如果能用相對簡單的實現方式和較少的成本產生具有優秀穩定度和精確度的常用波形，無疑將會在這些領域中得到廣泛的應用。
本系統基於at89s52微控制器控制dds系統產生正弦波形和矩形波，組成低頻函式訊號發生器。通過鍵盤控制達到電壓預置、頻率預置和占空比預置等功能，電壓值、頻率值和占空比都可用lcd12864顯示，實現友好的人機介面。
關鍵字：微控制器 dds系統函式訊號 lcd
題目要求設計並製作一台低頻三相函式訊號發生器，通過分析和理解，把題目功能要求及指標要求以下**形式列出。
方案一：採用微控制器控制
由微控制器、d/a轉換器及波形資料儲存器等組成系統，微控制器控制正弦波波形的合成、相位的改變，以及所有的邏輯和時序控制等工作。此方案除了要求微控制器完成基本的處理分析以外，還需要完成訊號波資料的儲存、按鍵的處理、訊號顯示等控制與變換工作。其優點在於系統規模小，有較大的靈活性，但微控制器內部資源和處理速度不容易滿足要求。
系統框圖如圖2.1所示。
圖2.1 微控制器控制系統框圖
方案二：基於ip核技術的fpga
由帶有ip核的fpga來完成採集、儲存、顯示及d/a轉換等功能，由ip核實現人機互動及訊號輸出分析等功能。fpga內部可以容納上百萬個電晶體，其單片邏輯門數已達到上百萬門，它所能實現的功能也越來越強，同時也可以實現系統整合。這種方案的優點在於系統高度整合、結構緊湊、操作方便；缺點是除錯過程繁瑣、難度大，難以在短時間內完成系統設計。
系統框圖如圖2.2所示。
圖2.2 fpga 控制系統框圖
綜合分析以上兩種方案，並結合實際，採用方案一來完成低頻三相函式發生器的製作。
方案一：採用凌陽系列微控制器
凌陽系列微控制器指令系統的指令格式緊湊，執行迅速，並且其指令結構提供了對高階語言的支援。低功耗，低損耗。另外，它的工作電壓範圍大，能在低電壓供電時正常工作。
採用32mhz的外部晶振，能滿足題目要求，但是操作處理比較慢且**較貴。
方案二：採用51系列微控制器
mcs-51系列微控制器，具有的整合度高、處理功能強、可靠性高、系統結構簡單、**低廉等優點。採用at89s52微控制器，外接12mhz晶振，勉強能夠滿足題目要求，但是它的缺點是處理速度較慢。
綜合比較，考慮成本及功能採用方案二。
方案一：採用傳統的直接頻率合成法直接合成
利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對頻率的算術運算。但由於採用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環節，導致直接頻率合成器的結構複雜，體積龐大，成本高，而且容易產生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜精度。
方案二：採用直接數字式頻率合成(簡稱dds)
用隨機讀/寫儲存器ram儲存所需波形的量化資料，按照不同頻率要求，以頻率控制字k為步進對相對增量進行累加，以累加相位值作為位址碼讀取存放在儲存器內的波形資料，經d/a轉換和幅度控制，再濾波即可得到所需波形。由於dds具有相對頻寬很寬，頻率轉換時間極短，頻率解析度高等優點，以及輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程式控制，因此可以完成題目要求。
綜合比較選擇方案二。另外。dds系統板中已含有四階巴特沃斯低通濾波電路，不需另外再設計濾波電路。
本系統需要多個電源，dds模組和微控制器的工作電壓為5v，dac0832的工作電壓為15v，基準電壓為-5v，提供給op37的工作電壓為±15v。因此，採用三端穩壓器7815、7915、7805和7905製作穩壓電源，提供各器件電壓。
方案一：採用led數碼管顯示
雖然功耗低，控制簡單，但是只能顯示數字和一些簡單的字元，沒有較好地人機介面。
方案二：採用lcd液晶顯示
lcd12864可以顯示所有字元和自定義字元，並能同時顯示多組資料、漢字，字元清晰。自身具有控制器，不僅可以減輕主微控制器的負擔，而且可以實現選單驅動方式的顯示效果，達到友好人機介面。用lcd液晶顯示，能解決led只能顯示數字等幾個簡單字元的缺點，效能好，效果多，控制方便，顯示方式多。
比較以上兩種方案，採用方案二。
由於微控制器i/o口足夠，因此採用矩陣4×4鍵盤即可。
dds的基本原理是在高速儲存器中放入正弦函式——相位資料**，經過查表操作，將讀出的資料送到高速dac產生正弦波。可程式設計dds系統原理圖如圖4.1.1所示。
圖4.1.1 dds的基本原理圖
dds系統由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數/模轉換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩定度的晶體振盪器，其輸出用於同步dds各組成部分的工作。相位累加器是可程式設計dds系統的核心，它由乙個加法器和乙個n位相位暫存器組成，n一般為24～32。
每來乙個外部參考時鐘，相位暫存器便以步長m遞加。相位暫存器的輸出與相位控制字相加後可輸入到正弦查詢表位址上。正弦查詢表包含乙個正弦波週期的數字幅度資訊，每乙個位址對應正弦波中0°～360°範圍的乙個相位點。
查詢表把輸入位址的相位資訊對映成正弦波幅度訊號，然後驅動dac以輸出模式量。
系統採用專用美國ad公司推出的高整合度頻率合成器ad9850。ad9850內含可程式設計dds系統和高速比較器，能實現全數字程式設計控制的頻率合成。據圖4.
1.1,相位暫存器每過2n/m個外部參考時鐘後返回到初始狀態一次，相位地正弦查詢表每消費品乙個迴圈也回到初始位置，從而使整個dds系統輸出乙個正弦波。
輸出的正弦波週期to=tc2n /m
頻率fout=mfc/2n
tc、fc分別為外部參考時鐘的週期和頻率。
，此正弦波可直接用作頻率訊號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。在125mhz的時鐘下，32位的頻率控制字可使ad9850的輸出頻率解析度達0.0291hz；並具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.
5°、11.25°或這些值的組合進行調整。它的外圍電路連線如圖4.
1.2所示。
dds系統輸出的正弦波並不是標準的正弦波函式，它的幅值都大與零，因此要計算輸出電壓的有效值，需要先將波形整體向下移位，波形移位原理如圖4.2.1所示。
圖4.2.1 移位（左）和調幅（右）電路
其核心部分是一電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出
vo1=（vin-vp）
所以輸出的vo1就相當於在輸入vin的基礎上下移了vp，而vp又受電位器rw1的控制，理論上可將vin的波形向y軸負方向下移0~12v。為了滿足外接10kω輸出電壓峰峰值不小於20v，而波形移位後輸出電壓最大值為5v，因此需再連一電壓放大電路。其核心是op37，由虛短虛段
vout=-vin*rw2/r3
rw2/r3的範圍是0~10，因此通過調節rw2可以使輸出波形的峰峰值在0~10vo1間變化，即輸出訊號的峰峰值範圍為0-50v,足以滿足題目20v的要求。
移相電路採用模擬方法實現，根據rc電路的相頻響應，在rc低通電路中對於實際頻率，上限轉折頻率
fh=1/（2πrc）
相角h=-arctan(f/fh)
實際輸入訊號頻率為f：
1）當f<0.1fh時，ψh→0°，相頻響應的相角為零度，幅頻響應可以忽略。
2）當f3）當fh4）當10fh 採用1nf的電容和100k的電位器組成上限截止頻率可變的低通rc電路作為正向輸入端，另用100ω的電阻作為保護電阻。
電位器阻值最小時可以得到最大上限截止頻率為fh=1/（2πrc）=1.6mhz，即實際輸入訊號需小於此範圍內才能達到180度相位可調。當實際輸入訊號大於16mhz時相位差固定為180度。
電位器阻值最大時可以得到最小上限截止頻率為fh=1/（2πrc）=1.6khz，即實際輸入訊號需大於160hz（=0.1fh）才能出現相位可調。
訊號頻率小於16khz（=10fh）時不能達到180度範圍可調。
圖4.3.1 移相電路圖
方波獲取原理：由輸出正弦波經過一由op07組成的單門限電壓比較器產生方波訊號，op07的門限電壓vref由微控制器直接程式控制，通過dac0832數/模轉換器將數字量轉換成模擬電壓量。輸出模擬量正比於輸入數字量（dn-1*2n-1+……+d0*20），從而實現從數字量到模擬量的轉換。
輸入可有28（=256）個不同的二進位制組態，輸出為256個電壓之一作為其門限電壓。輸入電壓
vin > vref
則通過比較器，輸出電壓vout=1；輸入電壓
vin < vref
函式訊號發生器設計報告
漳州師範學院 電子設計 函式訊號發生器的設計 姓名 殷偉昊 學號 090502132 班級 09電本 1 系別 物理與電子資訊工程系 指導教師 王海光 2011年 04 月 11 日 摘要函式訊號發生器作為一種常用的訊號源，是現代測試領域內應用最為廣泛的通用儀器之一。在研製 生產 測試和維修各種電子...
簡易低頻訊號發生器的設計與製作
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5 7簡易函式訊號發生器的製作
集美大學實驗報告用紙 課程 電子工藝實習日期 2009年5月11日 班級 光電0811 學號 2008534003 姓名 鄭美玲成績 實驗四 5.7簡易函式訊號放生器的製作 一 簡要工作原理 圖5 7為由ne555組成的方波訊號發生器，在此基礎上經一級rc濾波器輸出三角波訊號，再經一級rc濾波器輸出...